Химики ТПУ впервые синтезировали полимеры под действием солнечного света

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) впервые провели процесс полимеризации — синтеза полимеров — при комнатной температуре под действием света, хотя обычно этот процесс протекает при высоких температурах. Новая технология позволит сделать производство полимеров более энергоэффективным, а также создать полимеры с новыми полезными свойствами.

Новую технологию полимеризации исследователи опробовали в лаборатории на примере синтеза «умных» или функциональных полимеров, свойства которых можно задавать на стадии создания.

Традиционно синтез полимеров протекает при температурах около 150 градусов Цельсия. С одной стороны, это влечет за собой энергетические затраты, с другой — далеко не все полимеры с полезными свойствами и нужного качества можно получать в таких условиях. Для преодоления этих ограничений ученые решили использовать пару плазмон-поляритон.

Химики ТПУ впервые синтезировали полимеры под действием солнечного света © riatomsk.ru

Поляритон — квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов, например, с плазмонами. Плазмон — еще одна квазичастица, которая определяет оптические свойства металлов и полупроводников. Плазмон и поляритон возникают вблизи поверхности твердых тел из-за колебаний электронов. Они преобразует световую энергию в другой вид энергии и благодаря этому запускают синтез полимеров.

Эти частицы позволяют делать то, что раньше было еще невозможно. С их помощью можно провести полимерный синтез при практически комнатной температуре под действием солнечного света или лазера. Ученые продемонстрировали контролируемую полимеризацию типа NMP (nitroxide-mediated polymerization).

В опытах были синтезированы полимеры на поверхности тонких золотых пластинок — их максимальная толщина 20 нанометров. Поверхность пластинок волнообразная. Благодаря этому под действием света пластинка эффективно возбуждает пару квазичастиц плазмон-поляритон. В качестве катализатора исследователи «подсадили» на пластинку молекулы алкоксиамина, а в качестве строительного материала использовали мономер NIPAM (N-изопропилакриламид). Затем на эту пластинку направляли лазер или естественный солнечный свет, когда эксперименты проводились на открытом воздухе в солнечный день. Под действием света из мономера синтезировалась полная цепочка полимера PNIPAM. А после на этой цепочке из мономера вырастили второй полимер — pVBA (полимер на основе 4-винилбензолбороновой кислоты). Оба эти полимера относятся к классу функциональных, то есть они обладают определенными свойствами, которые человек может задавать и использовать. Интересно, что под действием солнечного света синтез проходил ничуть не хуже, чем под воздействием лазера.

В настоящее время в мире ученые решают задачу применения новых источников энергии для проведения химических реакций. Многие реакции протекают при высоких температурах и в промышленных масштабах требуют больших энергозатрат и сложных установок. Поэтому снижение температуры, при которой протекают реакции и разработки новых методов подачи энергии для проведения химической реакции позволит проводить синтез в условиях ограниченности ресурсов, например, в космосе, проводить синтез на компактной и дешевой установке и синтезировать полимеры без промышленного вредного воздействия на окружающую среду.

Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Material Chemistry A. Статья уже вошла в рейтинг лучших публикаций журнала 2019 года.

Компании «Сибур» и «Газпром нефть» стали заказчиком технологий томского Кроссиндустриального центра, в рамках которого вузы, НИИ и предприятия займутся решением задач для этих компаний в области новых технологий химического производства.